Các Định Luật Kirchhoff Về Mạch Điện
Điện tích không thể tích tụ hay biến mất, vậy nên tại bất kỳ điểm nút nào, dòng điện chảy vào phải chính xác bằng dòng điện chảy ra. Năng lượng cũng không thể xuất hiện hay biến mất, vậy nên nếu bạn cộng tất cả các mức tăng và giảm hiệu điện thế quanh một vòng kín, chúng triệt tiêu nhau thành không.
Công thức
ΣI_in = ΣI_out ; ΣΔV = 0
- I_in — dòng vào (A): tổng dòng điện chảy vào một điểm nút
- I_out — dòng ra (A): tổng dòng điện chảy ra khỏi cùng điểm nút đó
- ΔV — biến thiên hiệu điện thế (V): một mức tăng hoặc giảm hiệu điện thế trên một phần của vòng
Ví dụ đã giải
Một dây dẫn mang 6 A vào một điểm nút, nơi nó tách thành hai nhánh. Một nhánh mang 4 A. Bao nhiêu dòng điện chạy qua nhánh còn lại?
- I_in = 6 A
- I_out1 = 4 A
- I_out2 = I_in − I_out1
- I_out2 = 6 A − 4 A
I_out2 = 2 A
Tự kiểm tra
Một điểm nút giờ có 9 A chảy vào, tách thành hai nhánh. Một nhánh mang 5 A. Dòng nào chảy qua nhánh còn lại?
- Đáp án đúng: 4 A
- 14 A
- 5 A
Đúng! Dòng vào phải bằng dòng ra: 9 A − 5 A = 4 A.
Đi hết một vòng theo một vòng kín trong mạch điện, cộng tất cả các mức tăng và giảm hiệu điện thế, tổng phải bằng bao nhiêu?
- Tổng dòng điện
- Đáp án đúng: Không
- Hiệu điện thế của pin nhân đôi
Chính xác — năng lượng được bảo toàn, nên tất cả các mức tăng và giảm hiệu điện thế quanh một vòng cộng lại bằng không.
Bạn thấy điều này ở đâu
Hệ thống dây điện trong nhà bạn là một cây gồm nhiều điểm nút: nguồn điện chính tách ra tại tủ aptomat, lại tách tiếp ở từng phòng, và mỗi ampe chảy vào ở đầu này đều chảy trở ra ở đầu kia — không có gì tích tụ lại. Một dòng sông chia hai quanh một hòn đảo cho thấy quy tắc điểm nút trong tự nhiên: hai nhánh mang đúng lượng nước mà lòng sông duy nhất đã đưa đến chỗ phân nhánh.
Những sai lầm phổ biến
Sai lầm kinh điển là nghĩ rằng dòng điện bị hao dần khi đi qua các thiết bị — điện tích được bảo toàn, nên bao nhiêu dòng chảy vào một điểm nút thì bấy nhiêu chảy ra: 9 A vào với 5 A đi xuống một nhánh nghĩa là đúng 4 A đi xuống nhánh kia, không ít hơn. Quy tắc vòng mạch thì bị áp dụng sai theo kiểu riêng của nó: khi một vòng gồm nhiều linh kiện, hiệu điện thế của pin không bị sụt hết trên linh kiện mà bạn thích — ΣΔV = 0 cân bằng toàn bộ hành trình, mỗi mức tăng ứng với mỗi mức giảm. Hãy phân biệt rõ hai định luật bảo toàn: điểm nút bảo toàn điện tích, vòng mạch bảo toàn năng lượng.
Nó liên kết như thế nào
Định luật Ohm định giá cho một điện trở đơn lẻ; hai định luật này đảm nhiệm việc ghi sổ cho cả mạng lưới mạch — và cả hai đều là các định luật bảo toàn vốn đến từ cơ học, nay khoác áo mạch điện (ΣI_in = ΣI_out là bảo toàn điện tích, ΣΔV = 0 là bảo toàn năng lượng). Mạch RC, phần tiếp theo, là mạch đầu tiên có hành vi thay đổi trong lúc vận hành, và để giải nó cần dùng cùng lúc cả hai quy tắc.